Me gustaría poder proteger mi ADC de tensiones de entrada superiores a 5V. ¿Cuál es el circuito de protección más simple que podría construir para tener una salida como la que se muestra a continuación?
Respuestas
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Probablemente el más sencillo sea un simple limitador zener:
Esto también limitará las tensiones negativas a unos -0,7 V, aunque este límite no estará bien controlado.
Edita: Muestro 100 ohmios en R1. Esto es sólo un valor por defecto. Quieres un valor tan alto como puedas usar, dado el ancho de banda de la señal que estás muestreando y las necesidades de corriente de entrada de tu ADC. Cuanto mayor sea esta resistencia, menor será la corriente que el zener necesita para hundirse en una condición de sobretensión, por lo que el más pequeño (y de menor costo) el zener puede ser. Es posible que desee añadir un condensador en paralelo con el zener de modo que se combina con R1 para formar un filtro anti-aliasing para su ADC.
Una opción más barata si tienes un raíl de 5 V que pueda absorber suficiente corriente y no te importa que el valor límite esté ligeramente por encima de 5 V:
Puedes comprar los dos diodos en un paquete doble exactamente para este propósito. Si quieres que el valor límite esté más cerca de 5,2 V que de 5,7 V, utiliza diodos schottky en lugar de diodos de silicio normales.
Edición 2
Como señala Steven, hay una compensación. Un zener comenzará a conducir ligeramente a bajos niveles de corriente, y la fuente que está midiendo tiene que ser capaz de proporcionar suficiente corriente para conducir todo el camino a 5 V para obtener el recorte que desea. Si necesitas llegar a 5,0 V antes de que empiece el recorte, puede que necesites utilizar, por ejemplo, un zener de 5,3 V en lugar de 5,0 V, y asegúrate de que tu fuente puede proporcionar al menos 10 uA. Entonces, por supuesto, no está garantizado el recorte por debajo de 5,5 V.
Por otro lado, la conexión del diodo al carril positivo (mi segunda solución, ya sea utilizando diodos externos o los que probablemente están incorporados en su ADC inptus) se seulement funcionan si hay suficientes cargas en el carril de 5 V para absorber la corriente proporcionada por la fuente de sobretensión. En un circuito de baja potencia, la sobretensión podría acabar dejando la alimentación de 5 V fuera de regulación y provocar todo tipo de comportamientos inesperados en otras partes del circuito.
Puede limitar la corriente que debe hundirse en la condición de sobretensión aumentando el valor de R1. Pero su capacidad de hacer que está limitado por el ancho de banda que desea ser capaz de medir en su señal de entrada y / o la corriente de entrada necesaria por su ADC.
Tampoco es cierto que la tensión del zener "varíe mucho con la corriente". Sería más correcto decir que hay una pequeña corriente de fuga, del orden de 10-100 uA, por debajo del umbral del zener. Una vez que el zener entra en funcionamiento de avalancha, la tensión puede ser muy estable a través de décadas de corriente. A continuación se muestra la I-V típica de una familia de zener de On Semi:
Ten en cuenta que los zeners de mayor valor tienen mejor estabilidad que los de menor valor. Y, por supuesto, también hay que tener en cuenta las variaciones térmicas (1-2 mV/K típicas para la pieza On Semi a 5,1 V) si se desea una tensión de corte muy estable.
lillq
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Hubo un tiempo en que pensaba que los diodos zener eran geniales. Ahora sé que no lo son. De hecho, apestan. Este diodo tiene una tolerancia del 4% a 250 µA, por lo que puedes perder los 200 mV superiores de tu lectura, pero la cosa empeora: a 10 µA la tensión del zener es de sólo 4,3 V, lo que supone un error del 14%. Si tu entrada proviene de una fuente de impedancia relativamente alta, como un divisor de resistencias, puedes perder los 700 mV superiores.
La mayoría de los microcontroladores tienen diodos de apriete en sus pines de E/S:
Puedes usarlos. Si tu señal proviene de una salida de baja impedancia querrás añadir una resistencia en serie para proteger el diodo de apriete contra una corriente demasiado alta. A menudo se especifica 50 mA como valor nominal máximo absoluto. Si utilizas una resistencia de 15 kΩ limitarás la corriente a 1 mA para una entrada de 20 V. El fotón señala acertadamente que la corriente no debe ser demasiado alta. Eso es porque estás inyectando corriente donde el voltaje viene de un regulador de voltaje, y eso sólo puede ser fuente de corriente, no sumidero. Así que si una fuente externa inyecta corriente, la carga del regulador debería ser capaz de drenarla a tierra.
En PetPaulsen señala que se debate si es una práctica aceptable. La hoja de datos puede decir entrada máxima es Vcc + 0,3 V, pero puede también digamos 20 mA como máximo para los diodos de apriete (por ejemplo este controlador PIC . Eso puede significar que la caída de tensión del diodo de apriete sea inferior a 0,3 V, por ejemplo si son Schottky.
De todas formas, siempre puedes usar tu propio diodo externo para pinzar a Vcc. Este diodo Schottky sólo cae 100 mV a 10 mA, por lo que bloqueará la entrada a un valor seguro. No olvides la resistencia de 15 kΩ para fuentes de baja impedancia de salida.
Si la tensión de entrada no es negativa, la pinza de masa no es necesaria.
